(57)【要約】電気音響機器は、圧電性基板を備え、上記基板上に設けられた第１トラック及び第２トラックをそれぞれ含む逆極性の第１電極及び第２電極を含むトランスデューサを備え、該第１及び第２のトラックは同一中心（Ｃ）の周りに螺旋を巻き、該トランスデューサは、基板内に渦を巻く超音波表面弾性波を発生するように構成されている。【選択図】図２０
2019519193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気音響機器（２５）であって、圧電性基板（３０）と、前記基板上に備えられた第１トラックおよび第２トラックをそれぞれ含んでいる逆極性の第１電極及び第２電極と、を含むトランスデューサ（４３）を備え、該第１トラック（４５）及び該第２トラック（５０）は同一中心（Ｃ）の周りを螺旋状に巻き、該トランスデューサは渦を巻く超音波表面弾性波を該基板内に生成するように構成されている、
上記電気音響機器。
【請求項２】
該第１電極および該第２電極から成るセットは、該中心を全体的に取り囲み、且つ中央ゾーン（７０）を画定する、請求項１に記載の電気音響機器。
【請求項３】
該第１トラック及び／又は該第２トラックは、該中心の周りに９０°を超えて延在している、請求項１および２のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４】
該第１トラック及び／又は該第２トラックは、該中心の周りに１８０°を超えて延在している、請求項３に記載の電気音響機器。
【請求項５】
該第１トラック及び／又は該第２トラックは、該中心の周りに２７０°を超えて延在している、請求項４に記載の電気音響機器。
【請求項６】
該第１および第２トラックの各々は、次式によって定義された線に沿って螺旋を巻き、
【数１】
2019519193.tif 000019
2019519193.tif 000020
【数２】
2019519193.tif 000021
ここで、ｚｉ−ｚｉ−Ｉは基板上に積層された材料を分離する二つの隣接する境界の間の距離であり、z０は基板と該基板に接触する層との間の境界の高さであり、積層が存在しない場合は、μ０（Θ）＝０であり、
2019519193.tif 000022
【数３】
2019519193.tif 000023
・ｓr(ψ)は、伝播方向ψにおける基板の表面平面での波の遅延であり、ｓｚ(ψ) は、平面方向の外における波の遅延であり、方向ｉ（ｒまたはｚである）における波の遅延は、波数ｋiから、ｓr(ψ)＝ｋr(ψ)／ω、およびｓz(ψ)＝ｋz(ψ)／ωとして計算され、
・ｓr’(ψ)は、伝播方向に関するｓr(ψ)の導関数であり、
・α(ψ)は、関連する電場に対する、方向ψに伝播する波の垂直運動の位相である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項７】
隣接する第１トラックと第２トラックとの間の半径方向の間隔（Δ）が、０．４８λ〜０．５２λの間に含まれ、好ましくはλ／２に等しく、λは該渦を巻く超音波表面波の基本波長である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項８】
該第１トラックおよび該第２トラックの各々は、少なくとも１つの回転に沿って走行している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項９】
該第１電極および第２電極は、該第１トラックおよび該第２トラックがそれぞれ電気的に接続されているところの第１電源端子（５５）および第２電源端子（６０）をそれぞれ備えている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項１０】
該第１電極および該第２電極は、複数の第１トラック（１１０、１２０）および複数の第２トラック（１１５、１２５）をそれぞれ含んでいる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項１１】
該トランスデューサは、交互に噛み合っている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項１２】
該基板において異なる基本波長の第１および第２の、渦を巻く超音波表面波を生成するように構成された第１トランスデューサ（１３０）および第２トランスデューサ（１４０）を備え、該第１および第２トランスデューサの各々の該第１および第２トラックは、同一中心（Ｃ）の周りに螺旋を巻いている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項１３】
該第１および第２トランスデューサのうち、最も低い基本波長を生成するように意図されたトランスデューサは、他方のトランスデューサを取り囲んでいる、請求項１２に記載の電気音響機器。
【請求項１４】
２つの隣り合う第１と第２のそれぞれのトラックが、少なくとも２つの隣り合う第２と第１のそれぞれのトラックによって少なくとも１つの半径に沿って分離されている、請求項１２および１３のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項１５】
電気音響機器（１６０）であって、
‐圧電性基板（１７０）、
‐前記基板上に中央ゾーン（１７５）の周りに配設された、少なくとも４つの交互に噛み合わされたトランスデューサの組（１８５）の相互の噛み合わせ部分（１８７１、１８７２）、ここで、該トランスデューサは、前記基板において弾性表面波を生成するように構成されている、
‐各トランスデューサへ電気的に接続され且つ電力を供給し、且つトランスデューサの該組によって放射された複数の該弾性表面波が少なくとも中央ゾーンにおいて渦を巻く超音波を発生するように相互に干渉するように構成されているコントローラ（２２５）、
を含んでいる、
上記電気音響機器。
【請求項１６】
少なくとも８個の、好ましくは少なくとも１６個の、またはさらには少なくとも３２個の交互に噛み合わされたトランスデューサを含んでいる、請求項１５に記載の電気音響機器。
【請求項１７】
該交互に噛み合わされた部分は、中央ゾーンの周りに実質的に規則的に配設されている、請求項１５および１６のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項１８】
該交互に噛み合わされた部分は、円の周りに、または好ましくは前記波面に相似の線の周りに配設されている、請求項１７に記載の電気音響機器。
【請求項１９】
該中央ゾーンの周囲の５０％超、好ましくは７０％超が、該トランスデューサのトラックによって画定されている、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項２０】
少なくとも１つの、好ましくはすべての該トランスデューサの該交互に噛み合わされたトラック（１９０、１９５）は、湾曲している、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項２１】
該湾曲したトラックは、該中央ゾーンに向かって凸状である、請求項２０に記載の電気音響機器。
【請求項２２】
該湾曲したトラックは、前記中央ゾーンに向かって凹状である、請求項２０に記載の電気音響機器。
【請求項２３】
該トランスデューサは、好ましくはシリカを含んでいる保護コーティング（３２５）によって被覆されている、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項２４】
該トランスデューサと該基板に重なる支持部（３０５）をさらに備え、該支持部と該基板とは、音響的に結合されて、該基板に発生された渦を巻く超音波表面波が該支持部へ伝達され、そして該支持部のバルクにおいて音響渦または縮退音響渦として伝播する、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項２５】
該支持部は、不透明ではない材料、好ましくは透明な材料で少なくとも部分的に作られている、請求項２４に記載の電気音響機器。
【請求項２６】
該支持部は、非圧電性材料で作られている、請求項２４および２５のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項２７】
該支持部は、超音波の伝播に関して等方性の材料で作られている、請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項２８】
該支持部は、ガラスおよびポリマー、特に熱可塑性プラスチック、最も好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）から選択された材料を含んでいる、請求項２４〜２７のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項２９】
該支持部はガラスを含んでいる、請求項２８に記載の電気音響機器。
【請求項３０】
該基板と該支持部との間に挟まれた結合性流体からなる層（３３０）を含んでいる、請求項２４〜２９のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項３１】
該トランスデューサは、該基板と該支持部との間に挟まれている、請求項２４〜３０のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項３２】
該基板の少なくとも一部分は、該トランスデューサと該支持部との間に挟まれている、請求項２４〜３１のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項３３】
該トランスデューサは、渦を巻く表面弾性波のダークスポットの影響ゾーンの半径が０．１λ〜０．７λの範囲、好ましくは０．２λ〜０．５５λの範囲にあるように、該渦を巻く弾性表面波を生成するように構成され、λは該渦を巻く弾性表面波の波長である、請求項１〜３２のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項３４】
該基板は、５００μｍ以上の厚さを有するプレートである、請求項１〜３３のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項３５】
好ましくは非圧電性材料で作られた基部を備え、該基部上に該基板が配置されている、請求項１〜３４のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項３６】
該基部は、不透明でない、好ましくは透明な材料で、特にガラスで、少なくとも部分的に作られている、請求項３５に記載の電気音響機器。
【請求項３７】
該基板は、該基部上に堆積された層の形状であり、該層の厚さがλ／１０より薄く、λは渦を巻く超音波表面波の基本波長である、請求項３６に記載の電気音響機器。
【請求項３８】
該基部は、顕微鏡の対物レンズ（５０５）の一部分であるか、または顕微鏡の対物レンズに固定されるように構成された機器の一部分である、請求項３５〜３７のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項３９】
該基板は、異方性材料、好ましくは、ニオブ酸リチウム、チタン酸リチウム、石英、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、およびこれらの混合物から選択されたもので作られている、請求項１〜３８のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４０】
該基板は、不透明でない材料で、好ましくは透明な材料で、少なくとも部分的に作られている、請求項１〜３９のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４１】
該トランスデューサは、基本波長λが１０−７ｍ〜１０−３ｍの範囲にある渦を巻く表面弾性波を生成するように構成されている、請求項１〜４０のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４２】
該渦を巻く表面弾性波は、一般化されたラム（Lamb）波、または好ましくは一般化されたレイリー波である、請求項１〜４１のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４３】
該基板において様々な基本波長の渦を巻く超音波表面波を発生するように構成された複数のトランスデューサを含んでいる、請求項１〜４２のいずれか１項に記載の電気音響機器（３８０、４６０）。
【請求項４４】
該トランスデューサの中央ゾーンに置かれ、好ましくは該第１および第２トラックと同じ材料で作られた視覚マーキング（５１５）を含んでいる、請求項１〜４３のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４５】
ディスク形状である、請求項１〜４４のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４６】
該基板は、回転軸（ＸＤ）の周りで旋回可能に取り付けられている、請求項１〜４５のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４７】
第１トランスデューサおよび第２のトランスデューサをさらに備え、該機器の第１の配置における該第１トランスデューサの中心の位置は、該機器の第２の配置における該第２トランスデューサの中心の位置に対応し、該機器は、好ましくは、該第１の配置から第２の配置への遷移が旋回軸の周りの旋回によって操作されるように構成されている、請求項１〜４６のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４８】
複数のトランスデューサの電極に給電するための複数の接触ブラシ（４１０、４１５）を備えている、請求項１〜４７のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項４９】
第１トランスデューサおよび第２トランスデューサをさらに備え、該複数の接触ブラシは、該機器の第１の配置および第２の配置のそれぞれにおいて、それぞれ該第１および第２トランスデューサに接触して電力を供給し、該機器は、好ましくは、該第１の配置から第２の配置への遷移が旋回軸の周りの旋回によって操作されるように構成されている、請求項４８に記載の電気音響機器。
【請求項５０】
好ましくは該基板に垂直なおよび平行な２つの軸のいずれかに沿う平行移動によって、該トランスデューサに相対的に該支持部を移動させるように構成された構造（４０５）を備えている、請求項２４〜４９のいずれか１項に記載の電気音響機器。
【請求項５１】
請求項１５〜５０のいずれか１項に記載の電気音響機器を構成する方法であって、
ａ．該電気音響機器のトランスデューサの組の単一のトランスデューサｉに電気入力信号ｅi(ｔ)を用いて順次に電力を供給すること、そして適切であれば、他の電力供給された１または複数のトランスデューサをスイッチオフすること、そして該トランスデューサの中央ゾーンに置かれたいくつかの制御点jの各々で、該基板に生成された弾性表面波ｓj(ｔ)の振幅と位相とを測定すること、そして該測定された弾性表面波ｓj(ｔ)を記憶すること、
ｂ．該それぞれの入力信号ｅi(ｔ)および出力信号ｓj(ｔ)の変換された信号入力Ｅｉおよび変換された信号出力Ｓｊを計算すること、
ｃ．関係Ｓｊ＝ＨｊｉＥｉを介して、全ての該変換された出力信号Ｓｊを全ての該変換された入力信号Ｅｉに関係付けて、演算子Ｈｊｉを計算すること、
ｄ．点ｊでの変換された渦を巻く表面弾性波Ｓ’ｊが関係Ｓ'ｊ＝ＨｊｉＥ’ｉによって得られるように、信号Ｅ’ｉを決定すること、
ｅ．渦を巻く表面弾性波が該中央ゾーン内で渦を巻くように信号Ｅ'ｉの逆変換によって、印加されるべき電気入力信号ｅ’i（ｔ）を各トランスデューサiについて計算すること、
を包含している、
上記方法。
【請求項５２】
該変換された信号は、ラプラス変換、Ｚ‐変換、メリン変換、およびフーリエ変換から選択された変換によって得られる、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
該変換された信号は、フーリエ変換によって得られる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
線形演算子Ｈｊｉ及び／又は各入力信号ｅ’i(ｔ)の振幅および位相を、該コントローラに接続されているかまたは該コントローラ内に置かれた記憶ユニットに記憶することを包含する、請求項５１〜５３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５５】
請求項１〜５０のいずれか１項に記載の電気音響機器を備えている光学機器（４８０）。
【請求項５６】
顕微鏡である、請求項５５に記載の光学機器。
【請求項５７】
該光学機器の少なくとも１つの構成において、該電気音響機器のトランスデューサが、該顕微鏡の対物レンズと該支持部との間に配置されている、請求項５６に記載の光学機器。
【請求項５８】
該電気音響機器（５００）は、該顕微鏡の対物レンズ（５０５）に固定されている、請求項５６および５７のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項５９】
複数の対物レンズを備え、少なくとも２つの対物レンズは、異なる倍率を有し、少なくとも２つの、好ましくは全ての対物レンズが、それぞれ電気音響機器に固定されている、請求項５６〜５８のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項６０】
複数の対物レンズのうちの１の対物レンズに固定された電気音響機器は、該複数の対物レンズのうちのそれ以外の対物レンズに固定された電気音響機器とは異なっている、請求項５９に記載の光学機器。
【請求項６１】
液体媒質中の少なくとも１つの対象物を操作する方法であって、
‐トランスデューサを含む電気音響機器を用いて渦を巻く表面弾性波を生成すること、
‐前記表面弾性波によって誘起された音響渦または縮退音響渦を、前記対象物が曝されるところの放射圧を該液体媒質内に生成するように該液体媒質内に伝播させること、そして該媒質に相対的な該トランスデューサの変位によって該対象物を操作すること、を包含する、
上記方法。
【請求項６２】
該電気音響機器が請求項１〜５０のいずれか１項に記載のものである、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
体積波が該液体媒質に到達する以前に、該容積波を該固体支持部のバルク全体に伝搬させることを包含する、請求項６１および６２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６４】
該トランスデューサは、単一の圧電性基板の上に少なくとも２つのそれぞれのトランスデューサのトラック、好ましくは互いに噛み合っており、かつ異なる電極パターンを有するトラック、を含む機器の一部である、請求項６１〜６３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６５】
該機器は回転軸の周りを回転可能であり、該トランスデューサを使用する前または後に該機器を回転させることを包含している、請求項６１〜６４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６６】
少なくとも１つの電気アクチュエータを用いて、該トランスデューサを該媒質に相対的に変位させることを包含している、請求項６１〜６５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６７】
該機器は請求項４４に記載されたものであり、該視覚的マーキングが該対象物からオフセットされるように該電気音響機器を配置すること、続いて、該対象物を該視覚的マーキングに重なるように移動させるために、該液体媒質内に体積超音波を発生させるために該トランスデューサに電力を供給すること、を包含している、請求項６１〜６６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６８】
請求項５５に記載の光学機器を用いて該対象物を観察することを包含している、請求項６１〜６７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６９】
該トランスデューサは電極トラックのアレイを含み、該方法は、単一のＡＣ源で電極トラックに給電することを包含している。請求項６１〜６８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７０】
該対象物の配向を変化させるために、音響渦または縮退音響渦を用いて該対象物の近傍の流体内に流体力学的渦を誘起することを包含している、請求項６１〜６９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７１】
該対象物の回転を誘起するためにトルクを生成するように、該対象物の近傍の流体中に音響渦を生成することを包含している、請求項６１〜７０のいずれかに記載の方法。
【請求項７２】
該音響渦または該縮退音響渦を該トランスデューサの中央ゾーンの中心に垂直なゾーン内の該液体媒質内に収束させて、該音響渦または縮退音響渦がその回りに渦を巻くところの方向に沿って該対象物を捕捉することを包含する、請求項６１〜７１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７３】
該液体媒質中に流体力学的渦を誘起することを含んでいる、請求項６１〜７２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７４】
該対象物は、生物学的物質、好ましくは１つの細胞であり、該対象物は好ましくはラベルを有していない、請求項６１〜７３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７５】
該バルク音響渦の縮退を制御するように前記超音波表面波の波面を事前に歪曲することを包含する、ここで、該事前の歪曲は、好ましくは、請求項６において与えられた式の逆フィルタ法によって計算される、請求項６１〜７４のいずれか１項に記載の方法。請求項６に記載の方法。
【請求項７６】
液体媒質内の少なくとも１つの対象物、又は液体媒質、特に液滴を操作する方法であって、該操作は、該少なくとも１つの対象物及び／又は該液体媒質を合体すること、変形すること、混合すること、および分割することの少なくとも１つを包含し、それぞれのＡＣ源によって給電された交互に噛み合わされた複数のトランスデューサを備える電気音響機器を用いて渦を巻く表面弾性波を生成すること、そして前記対象物及び／又は前記液体媒質がそこに提出されるところの圧力トラップを生成するために、前記表面弾性波によって誘起された音響渦または縮退音響渦を該媒質内に伝播させ、そして該トラップの位置および特徴を変更するようにＡＣ源を変更すること、および該対象物を操作すること、特に変位または回転させること、を包含している、上記方法。
【請求項７７】
該基板は、該基板の最高速度の方向に沿った波の速度を、該基板の最低速度の方向に沿った波の速度で割った比が、１．３よりも大きいようなものである、請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
該電気音響機器は、請求項１５〜５０のいずれか１項に記載されているものである、請求項７６および７７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７９】
液体媒質を操作するために、特に該液体媒質を混合するために、音響渦または縮退音響渦で水力学的渦を生成すること包含している、請求項７６〜７８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に１０−２ｍ未満のサイズであり、液体媒質に浸漬され、そして特に液体媒質よりも密度が高く及び／又はより剛性である対象物を操作するための電気音響機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノサイズおよびマイクロサイズの対象物の選択的操作は、様々な技術分野、例えば、細胞生物学、マイクロ流体、ナノサイズおよびマイクロサイズのシステムアセンブリ、における複雑な操作である。操作は、用具、例えばピンセットまたはマイクロピペットを用いて行なわれうる。対象物は、次に用具の移動によって操作される。「直接接触」法と一般に呼ばれているこのような操作方法は、特に物体が、柔らかい、粘つく、または脆い場合には望ましくない。さらに、それは操作された対象物を変える場合がある。最後に、対象物が置かれているシステムへの用具の導入は、システムの特性を変更しうる。例えば、対象物が電磁場に置かれる場合、用具を導入することは、上記場の擾乱を生じさせる可能性がある。それはまた、何らかの汚染をもたらすかもしれない。システムが細胞を含む生物学的培地である場合に、細胞の挙動は用具の導入によって改変されうる。
【０００３】
代替の非接触法、例えば、誘電泳動法、磁気泳動法、および光泳動法（「光ピンセット」法とも呼ばれる）が、開発されている。しかし、全てこれらの技術は大きな欠点を有している。例えば、誘電泳動法は、対象物の分極率に依存し、操作される対象物の近傍に電極を設置することを要求する。磁気泳動法は、対象物上にマーカを移植することを要求する。光泳動法は、グラフト化をして又はしないで使用されうるが、この方法に固有の顕著な加熱および光毒性によって非常に小さな力に限定されている。
【０００４】
「定在波音響泳動法」と呼ばれる別の方法が開発されており、この方法は、基板上に横たわるか又は重なる対象物を操作するために、基板内に生成された弾性表面波（ＳＡＷ）を実装することから成る。
【０００５】
米国特許第7,878,063 B1号は、基板と、基板上の３対の交互に噛み合わされたトランスデューサとを含む電気音響デバイスを記載している。トランスデューサの各対は、トランスデューサによって生成された表面弾性波を伝搬させるための音響経路を画定する。３つの音響経路は交差し、このようにして生物学的種を検出するための中央領域を生成する。
【０００６】
国際公開第2013/116311 A1号パンフレットは、１対の可変周波数の交互に噛み合わされたトランスデューサと、基板上に画定され、これらトランスデューサの間に非対称に配置されたチャネルとを含む粒子を操作する装置を記載している。
【０００７】
国際公開第2015/134831号パンフレットは、第１音響波を生成するための第１の交互に噛み合わされたトランスデューサ構成と、第１音響波に対して非平行な方向に第２音響波を生成する第２の交互に噛み合わされたトランスデューサ構成と、第１音響波と第２音響波との間の相互作用によって少なくとも部分的に形成された干渉パターンによって少なくとも部分的に画定された操作領域と、を含んでいる音響機器を記載している。
【０００８】
論文「Fastacoustic tweezer for the two-dimensional manipulation of individual particlesin microfluidic channels（マイクロ流体チャネルにおける個々の粒子の２次元操作のための高速音響ピンセット）」、S.B.Q. Tran, P.MarmottantおよびP.Thibault、Applied Physics Letters、American Institute of Physics、2012,101,pp.114103、は、中央ゾーンの周りに規則的な間隔で基板上に設けられた４つの交互に噛み合わされたトランスデューサを含む装置を記載している。各トランスデューサは、定在表面弾性波を生成する。装置の実装は、中央ゾーン内での粒子の変位を提供する。
【０００９】
米国特許出願公開第2013/0047728 A1号は、関心領域内に可変超音波信号を提供するための超音波源と、制御信号を超音波源に提供するように超音波源に接続された制御器とを含む装置を教示している。可変超音波信号は、関心領域内に圧力場を生成し、その形状及び／又は位置は、関心領域内の粒子が圧力場での変化に応じて移動するように、超音波源に入力される制御信号を変えることによって変更されうる。しかし、米国特許出願公開第2013/0047728 A1号の装置は、バルク音波を発生するように構成されている。結果として、それは「ラボオンチップ」での使用を妨げるところの大規模の構成要素を必要とする。加えて、何らかの弾性表面波を発生させることには適合しない。
【００１０】
すべての既知の定在波音響泳動法は、対象物を操作するための定在音響波を生成することから成る。しかし、これらの方法の選択性は限られる。特に、すべての対象物は、波の節または腹に向かって移動する。結果として、定在波音響泳動法は、対象物をその近傍から独立に選択的に操作することを可能にしない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、従来技術の技術的欠点の少なくとも幾つかを克服する電気音響デバイスおよび少なくとも１つの対象物を操作する方法についての必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の例示的な実施態様は、圧電性基板と、上記基板上に備えられた第１トラックおよび第２トラックをそれぞれ含んでいる逆極性の第１電極および第２電極とを含むトランスデューサを備え、該第１トラックおよび第２トラックは同一中心の周りで螺旋状に巻き、該トランスデューサは渦を巻く超音波表面弾性波を該基板内に生成するように構成されている、電気音響機器に関する。
【００１３】
渦を巻く表面弾性波（ＳＡＷ）は、破壊的干渉が波の振幅の相殺をもたらす場所である位相特異点の周りを回転しながら伝播する波である。渦を巻くＳＡＷは、等方性基板及び／又は異方性基板内を伝搬しうる。
【００１４】
図１は、等方性基板の表面における、該基板のＸ方向およびＹ方向に沿った渦を巻くＳＡＷの振幅５を示す。渦を巻くＳＡＷは、図１の破線で示されるように、一般に「明るいリング」と呼ばれる大振幅の同心リング１５によって取り囲まれた、一般に「ダークスポット（暗点）」と呼ばれる小振幅の領域１０を含んでいる。ダークスポットは低い放射圧の領域であり、一方、明るい円は高い放射圧のゾーンである。したがって、基板の表面で伝搬する渦を巻くＳＡＷは、対象物のサイズが該渦を巻くＳＡＷの基本波長と実質的に等しいか又はそれより小さいならば、例えば基板上にあり且つ明るい円上に位置する対象物が、図１の矢印２０によって示されるように、渦を巻くＳＡＷの暗いスポットによって引き付けられるようなものである。該対象物は該ダークスポットによって捕捉される。
【００１５】
本発明は、定在波音響泳動を実行する従来技術の装置と比較して、いくつかの利点を提供する。第１に、本発明による電気音響機器は、単一のトランスデューサのみで物体の操作を提供することができるので、実装がより簡単である。また、単一の低コストの電力供給システムを使用して給電することもできる。さらに、従来技術に比べてトランスデューサの特定の設定を必要とせず、従来技術でもトランスデューサの組の各トランスデューサは、トランスデューサによって生成されたＳＡＷの干渉が対象物操作可能な放射圧場を生じるように正確に設定されなければならない。さらに、本発明は、ＳＡＷ伝搬に関する何らかの基板特性によって限定されない。特に、基板は好ましくは異方性であり得る。さらに、電気音響デバイスは、従来技術の機器よりも広い範囲の対象物サイズに調整されることができる。特に、機器は、同じサイズの対象物に、光泳動デバイスより大きな力を、対象物を破壊することなく適用することができる。
【００１６】
本明細書において、ＳＡＷは、１ＭＨｚ〜１００００ＭＨｚの範囲の周波数を有すると考えられる。
【００１７】
本発明の第１の局面による該電気音響機器は、以下の任意的な特徴の１以上をさらに提示しうる：
‐第１電極および第２電極より成る組は、該中心を全体的に取り囲み、且つ中央ゾーンを画定する；
‐該第１トラック及び／又は該第２トラックは、該中心の周りを、９０°を超えて、好ましくは１８０°を超えて、さらに好ましくは２７０°を超えて延在する；
‐該第１および第２トラックの各々は、次の方程式
【数１】
2019519193.tif 000003
2019519193.tif 000004
【数２】
2019519193.tif 000005
2019519193.tif 000006
【数３】
2019519193.tif 000007
・ｓr(ψ)は、伝播方向ψにおける基板の表面平面での波の遅延であり、ｓｚ(ψ) は、平面の外への方向における波の遅延であり、方向ｉ（ｒまたはｚである）における波の遅延は、波数ｋiから、ｓr(ψ)＝ｋr(ψ)／ω、およびｓz(ψ)＝ｋz(ψ)／ωとして計算される。
・ｓr’(ψ)は、伝播方向に対するｓr(ψ)の導関数であり、
・α(ψ)は、関連する電場に対する、方向ψに伝播する波の垂直運動の位相である；
‐隣接する第１トラックと第２トラックとの間の半径方向の間隔が、０．４８λ〜０．５２λの間に含まれ、好ましくはλ／２に等しく、λは該渦を巻く超音波表面波の基本波長である；
‐該第１トラックおよび該第２トラックの各々は、少なくとも１つの回転に沿って走行している；
‐該第１電極および該第２電極は、該第１トラックおよび該第２トラックがそれぞれ電気的に接続されているところの第１電源端子および第２電源端子をそれぞれ備えている；
‐該第１電極および該第２電極は、複数の第１トラックおよび複数の第２トラックをそれぞれ含んでいる；
‐該トランスデューサは、交互に噛み合っている；
‐該電気音響機器は、該基板において異なる基本波長の第１および第２の渦を巻く超音波表面波を生成するように構成された第１トランスデューサおよび第２トランスデューサを備え、該第１および第２トランスデューサの各々の該第１および第２トラックは、同一中心の周りに螺旋を巻いている；
‐該第１および第２トランスデューサのうちの最も低い基本波長を生成するように意図された該トランスデューサは、他方のトランスデューサを取り囲んでいる；
‐２つの隣り合う第１と第２のそれぞれのトラックが、少なくとも２つの隣り合う第２と第１のそれぞれのトラックによって少なくとも１つの半径に沿って分離されている。
【００１８】
第２の局面によれば、本発明の例示的な実施態様は電気音響機器に関し、この電気音響機器は、
‐圧電性基板、
‐上記基板上に中央ゾーンの周りに配設された、少なくとも４つの交互に噛み合わされたトランスデューサの組の相互の噛み合わせ部分、ここで、該トランスデューサは、前記基板において弾性表面波を生成するように構成されている、
‐各トランスデューサへ電気的に接続され且つ電力を供給し、且つトランスデューサの該組によって放射された複数の該弾性表面波が少なくとも中央ゾーンにおいて渦を巻く超音波を発生するように相互に干渉するように構成されているコントローラ、
を含んでいる。
【００１９】
本発明の第２の局面に係る電気音響機器は、異方性基板内に渦を巻くＳＡＷを生成するのに特に適している。
【００２０】
特に、本発明の本第２の局面に係る電気音響機器は、明確に画定されたダークスポットを有する渦を巻くＳＡＷを生成することを実現する。したがって、従来技術の音響泳動機器よりも一層選択的である。
【００２１】
さらに、この第２の局面に係る電気音響機器は、コントローラが別の種類のＳＡＷ、例えば、次数ｌ＝０の一般化ベッセル波、または定常波をも生成するように構成されうるので、汎用性がある。
【００２２】
本発明のこの第２の局面に係る電気音響機器は、以下の任意的な特徴の１以上をさらに示しうる：
‐電気音響機器は、少なくとも８の、好ましくは少なくとも１６の、または少なくとも３２の交互に噛み合わされたトランスデューサを含む；
‐交互に噛み合わされた部分は、中央ゾーンの周りに実質的に規則的に配置されている；
‐交互に噛み合わされた部分は、円のまわりに、または好ましくは波面と相似の線の周りに配置されている；
‐中心ゾーンの周囲の５０％超、好ましくは７０％超がトランスデューサのトラックによって画定される；
‐少なくとも１つ、好ましくはすべてのトランスデューサの交互に噛み合わされたトラックが湾曲している；
‐湾曲したトラックは中心ゾーンに向かって凸状である；
‐曲がったトラックは中心ゾーンに向かって凹状である。
【００２３】
第１および第２の局面のいずれか１つによれば、電気音響機器は、以下の任意的な特徴のうちの１つまたは複数をさらに含みうる：
‐該トランスデューサは、好ましくはシリカを含む保護コーティングによって被覆されている；
‐該電気音響装機器は、該トランスデューサと該基板に重なる支持部をさらに備え、該支持部と該基板とは音響的に結合されて、該基板に発生された渦を巻く超音波表面波が該支持部へ伝達され、そして該支持のバルクにおける音響渦または縮退音響渦として伝播する；
‐該支持部は、不透明ではない材料、好ましくは透明な材料で少なくとも部分的に作られている；
‐該支持部は、非圧電性材料で作られている；
‐該支持部は、超音波の伝播に関して等方性の材料で作られている；
‐該支持部は、ガラスおよびポリマー、特に熱可塑性プラスチック、最も好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）から選択された材料を含んでいる；
‐該支持部はガラスを含んでいる；
‐該電気音響機器は、該基板と該支持部との間に挟まれた結合性流体からなる層を含んでいる；
‐該トランスデューサは、該基板と該支持部との間に挟まれている；
‐該基板の少なくとも一部分は、該トランスデューサと該支持部との間に挟まれている；
‐該トランスデューは、該渦を巻く表面弾性波のダークスポットの影響ゾーンの半径が０．１λ〜０．７λの範囲、好ましくは０．２λ〜０．５５λの範囲にあるように、渦を巻く表面弾性波を生成するように構成され、λは渦を巻く表面弾性波の波長である; 該「ダークスポットの影響ゾーンの半径」は、ダークスポットにおける最低振幅の位置と第１の明るいリングの最大振幅の位置との間の距離によって定義される；
‐該基板は、５００μｍ以上の厚さを有するプレートである；
‐該電気音響機器は、好ましくは非圧電性材料で作られた基部を備え、該基部上に該基板が配置されている；
‐該基部は、不透明でない、好ましくは透明な材料で、特にガラスで少なくとも部分的に作られている；
‐該基板は、該基部上に堆積された層の形状であり、層の厚さはλ／１０より薄く、λは渦を巻く超音波表面波の基本波長である；
‐該基部は、顕微鏡の対物レンズの一部分であるか、または顕微鏡の対物レンズに固定されるように構成された機器の一部である；
‐該基板は、異方性材料、好ましくは、ニオビウム酸リチウム、チタン酸リチウム、石英、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、およびこれらの混合物から選択されたもので作られている；
‐該基板は、不透明でない材料で、好ましくは透明な材料で、少なくとも部分的に作られている；
‐該トランスデューサは、基本波長λが１０−７ｍ〜１０−３ｍの範囲にある渦を巻く表面弾性波を生成するように構成されている；
‐該渦を巻く表面弾性波は、一般化されたラム（Lamb）波、または好ましくは一般化されたレイリー波である；
‐該電気音響機器は、該基板において様々な基本波長の渦を巻く超音波表面波を生成するように構成された複数のトランスデューサを含んでいる；
‐該電気音響機器は、該トランスデューサの中央ゾーンに配置された、好ましくは該第１および第２トラックと同じ材料で作られた視覚マーキングを含んでいる；
‐該電気音響機器はディスク形状である；
‐該基板は、回転軸の周りで旋回可能に取り付けられている；
‐該電気音響機器は、第１および第２トランスデューサをさらに備え、該機器の第１の配置における第１トランスデューサの中心の位置は、該機器の第２の配置における第２トランスデューサの中心の位置に対応し、該機器は、好ましくは、該第１の配置から第２の配置への遷移が旋回軸の周りの旋回によって操作されるように構成されている；
‐該電気音響機器は、複数の該トランスデューサ電極に給電するための複数の接触ブラシを備えている；
‐該電気音響機器は、第１および第２トランスデューサを備え、複数の該接触ブラシは、該機器の第１の配置および第２の配置のそれぞれにおいて、それぞれ第１および第２トランスデューサに接触して電力を供給し、該機器は、好ましくは、該第１の配置から第２の配置への遷移が旋回軸の周りの旋回によって操作されるように構成されている。
【００２４】
該電気音響機器は、好ましくは該基板に垂直および平行な２つの軸のいずれかに沿う平行移動により、該トランスデューサに相対的に該支持部を移動させるように構成された構造（４０５）を備えている。
【００２５】
好ましくは、該第１および第２電極は、フォトリソグラフィによって該基板上に堆積される。該基板への該電極の付着性を向上させるために、特に、クロムまたはチタンを含む材料の層は、該電極を堆積する前に該基板上に堆積させうる。
【００２６】
好ましくは、該第１および第２電極は、金属材料（好ましくは、金、銀、アルミニウムおよびこれらの混合物の中から選択される）で作られる。アルミニウムは１００ＭＨｚ超の周波数での利用に適している。良好な導電性が要求される場合は、金及び／又は銀が好ましい。
【００２７】
該第１および第２電極の該トラックの半径方向に沿って測定された幅は、同一でありうる。変形態様において幅は異なりうる。
【００２８】
該基板は、平面であってもまたは湾曲していてもよい。
【００２９】
本発明はまた、本発明の第２の局面に係る電気音響機器を構成するための方法に関しており、該方法は、
ａ．該電気音響機器のトランスデューサの組の単一のトランスデューサｉに電気入力信号ｅi(ｔ)を用いて順次に電力を供給すること、そして適切であれば、他の電力供給された１または複数のトランスデューサをスイッチオフすること、そして該トランスデューサの中央ゾーンに置かれたいくつかの制御点jの各々で、該基板に生成された弾性表面波ｓj(ｔ)の振幅と位相とを測定すること、そして該測定された弾性表面波ｓj(ｔ)を記憶すること、
ｂ．該それぞれの入力信号ｅi(ｔ)および出力信号ｓj(ｔ)の変換された信号入力Ｅｉおよび変換された出力Ｓｊを計算すること、
ｃ．関係Ｓｊ＝ＨｊｉＥｉを介して、全ての該変換された出力信号Ｓｊを全ての該変換された入力信号Ｅｉに関係付けて、演算子Ｈｊｉを計算すること、
ｄ．点ｊでの変換された渦を巻く表面弾性波Ｓ’ｊが関係Ｓ'ｊ＝ＨｊｉＥ’ｉによって得られるように、信号Ｅ’ｉを決定すること、
ｅ．渦を巻く表面弾性波が該中央ゾーン内で渦を巻くように信号Ｅ'ｉの逆変換によって、印加される電気入力信号ｅ’i（ｔ）を各トランスデューサiについて計算すること、
を包含している。
【００３０】
「変換された信号」は、２つの関数の間の任意の畳み込み演算をこれら２つの関数の間の単純な積に変換するところの数学的変換によって得られる。該数学的変換は、ラプラス変換、Ｚ‐変換、メリン変換、およびフーリエ変換から選択されうる。フーリエ変換が好ましい。
【００３１】
好ましくは、構成するための方法は、線形演算子Ｈｊｉ及び／又は各入力信号ｅ’i(ｔ)の振幅および位相を、該コントローラに接続されているかまたは該コントローラ内に置かれた記憶ユニットに記憶することを包含する。
【００３２】
本発明の例示的な実施態様はまた、本発明による電気音響機器を備えている光学機器に関する。
【００３３】
本発明による該光学機器は、以下の任意的な特徴のうちの１以上をさらに示しうる：
‐該光学機器は顕微鏡である；
‐該光学機器の少なくとも１つの構成において、該電気音響機器の該トランスデューサは、該顕微鏡の対物レンズと該支持部との間に置かれている；
‐該電気音響機器は、該顕微鏡の対物レンズに固定されている；
‐該光学機器は、複数の対物レンズを有し、少なくとも２つの対物レンズは異なる倍率を有し、少なくとも２つ、好ましくは全ての対物レンズの各々が該電気音響機器に固定されている；
‐複数の内の１の対物レンズに固定された電気音響機器は、複数の対物レンズの内の別の対物レンズに固定された電気音響機器とは異なる。
【００３４】
本発明はまた、液体媒質中の少なくとも１つの対象物を操作する方法に関しており、該方法は：
‐トランスデューサを含む電気音響機器によって渦を巻く表面弾性波を生成すること；および
‐上記表面弾性波によって誘起された音響渦または縮退音響渦を、該対象物が提出されている該液体媒質内に放射圧を生成するように、該液体媒質内へ伝播させること、そして該媒質に相対的な該トランスデューサの変位によって該対象物を操作すること；
を包含している。
【００３５】
液体媒質中の少なくとも１つの対象物を操作する方法は、以下の任意的な特徴のうちの１以上をさらに示しうる：
‐該電気音響機器は、本発明によるものである；
‐本方法は、体積波が該液体媒質に到達する前に、該体積波を固体支持部のバルク全体に伝播させることを含んでいる；
‐該トランスデューサは、単一の圧電性基板上に、少なくとも２つのそれぞれのトランスデューサのトラック、好ましくは互いに噛み合い、異なる電極のパターンを有しているトラック、を含む機器の一部分である；
‐該機器は、回転軸の周りに回転可能であり、そして該方法は、該トランスデューサを使用する前または後に該機器を回転させることを包含している；
‐この方法は、少なくとも１つの電気アクチュエータを用いて該トランスデューサを該媒質に相対的に変位させることを包含している；
‐該機器は該トランスデューサの中央ゾーンに置かれた視覚的マーキングを備え、該視覚的マーキングは、好ましくは該第１および第２トラックと同じ材料で作られており、該方法は、視覚的マーキングが該対象物からオフセットされるように該電気音響機器を配置すること、続いて、該対象物を該視覚的マーキングに重なるように移動させるように、該液体媒質内に体積超音波を発生させるために該トランスデューサに電力を供給すること、を包含している；
‐該方法は、本発明による光学機器を用いて該対象物を観察することを包含している；
‐該トランスデューサは電極トラックのアレイを含み、該方法は単一のＡＣ源で電極トラックに給電することを包含している；
‐該方法は、該対象物の配向を変化させるために、音響渦または縮退音響渦を用いて該対象物の近傍の流体内に流体力学的渦を誘起することを包含している；
‐該方法は、該音響渦または該縮退音響渦を、該トランスデューサの中央ゾーンの中心に垂直なゾーン内の該液体媒質内に収束させて、該音響渦または縮退音響渦が渦を巻くところの方向に沿って該対象物を捕捉することを包含している； 
‐該方法は、該液体媒質中に流体力学的渦を誘起することを包含している；
‐該対象物は、生物学的物質、好ましくは１つの細胞であり、該対象物は、好ましくはラベルを有していない；
‐該方法は、該バルク音響渦の縮退を制御するために該超音波表面波の波面を事前に歪曲することを包含する、ここで、該事前の歪曲は、好ましくは、式（１）の式の逆フィルタ法によって計算される。
【００３６】
本発明はさらに、液体媒質内の少なくとも１つの対象物、または特に液滴である液体媒質を操作する、第２の局面に係る方法に関しており、該操作は、該少なくとも１つの対象物及び／又は該液体媒質を合体すること、変形すること、混合すること、および分割することの少なくとも１つを包含し、それぞれのＡＣ源によって給電された交互に噛み合わされた複数のトランスデューサを備える電気音響機器を用いて渦を巻く表面弾性波を生成し、そして前記対象物及び／又は前記液体媒質がそこに提出されるところの圧力トラップを生成するために、前記表面弾性波によって誘起された音響渦または縮退音響渦を該媒質内に伝播させ、そして該トラップの位置および特徴を修正するようにＡＣ源を変更すること、および該対象物を操作すること、特に変位または回転させること、を包含している。
【００３７】
本発明の第２の局面に係る、液体媒質中の少なくとも１つの対象物を操作する方法は、以下の任意的な特徴のうちの１つ以上をさらに示しうる：
‐該基板は、該基板の最高速度の方向に沿った波の速度を、該基板の最低速度の方向に沿った波速度で割った比が１．３よりも大きいものである；
‐該電気音響機器は、本発明の第２の局面によるものである；
‐該方法は、特に液体媒質を混合するために、音響渦または縮退音響渦を用いて流体力学的渦を生成することを包含している。
【００３８】
本発明は、以下の詳細な説明を、その例示的および非限定的な実施態様を参照して、添付の図面を参照して読むことによって、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】２次元の渦を巻くＳＡＷ（弾性表面波）の位相と振幅を示した図である。
【図２】本発明の第１の態様による電気音響機器の実施態様を示す図である。
【図３】本発明の第１の態様による電気音響機器の実施態様を示す図である。
【図４】本発明の第１の態様による電気音響機器の実施態様を示す図である。
【図５】伝播方向に依存する、異方性基板内の平面フロント波の垂直横変位の振幅を示す図である。
【図６】異なる媒質との界面での伝搬方向に依存する、異方性基板における平面フロント波のレイリー速度を示す図である。
【図７】φ0-ωμ0-lθの曲線の２次元グラフである。
【図８】図９の電気音響機器のトラックを画定するために使用される曲線Ｒ（Θ）の２次元グラフである。
【図９】本発明の第１の態様による電気音響機器の実施態様を示す図である。
【図１０】本発明の第１の態様による電気音響機器の実施態様を示す図である。
【図１１】本発明の第１の態様による電気音響機器の実施態様を示す図である。
【図１２】本発明の第２の局面による電気音響機器を示す図である。
【図１３】図１２の変換器の交互に噛み合わされた部分の拡大図である。
【図１４】本発明の第２の局面による電気音響機器を示す図である。
【図１５】図１４の変換器の交互に噛み合わされた部分の拡大図である。
【図１６】電気音響機器を構成する方法を示す図である。
【図１７】本発明の或る実施態様による電気音響機器によって生成された渦を巻くＳＡＷの測定された位相および振幅、および対応する理論的に予測された位相および振幅を示す図である。
【図１８】本発明の或る実施態様による電気音響機器の変形例を示している。
【図１９】本発明の或る実施態様による電気音響機器の変形例を示している。
【図２０】本発明の或る実施態様による電気音響機器の変形例を示している。
【図２１】本発明の或る実施態様による電気音響機器の変形例を示している。
【図２２】本発明の或る実施態様による電気音響機器の変形例を示している。
【図２３】本発明の或る実施態様による電気音響機器の変形例を示している。
【図２４】種々の対象物の操作を示す写真である。
【図２５】種々の対象物の操作を示す写真である。
【図２６】種々の対象物の操作を示す写真である。
【図２７】種々の対象物の操作を示す写真である。
【図２８】種々の対象物の操作を示す写真である。
【図２９】電気音響機器のフォトリソグラフィによる製造のためのマスクの図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図面において、種々の要素のそれぞれの形およびサイズは、明瞭化のために必ずしも順守されているわけではない。
【００４１】
図２は、本発明の第１の局面に係る電気音響機器２５を示し、該機器２５は、基板３０と、この基板上に配置されたトランスデューサ４３の第１電極３５と第２電極４０とを含んでいる。第１電極および第２電極は、それぞれ同じ中心Ｃを中心に螺旋状に巻かれた第１トラック４５と第２トラック５０とをそれぞれ備えている。
【００４２】
第１トラックおよび第２トラックは両者共に、該中心の周りに２７０°よりも大きな角度Ω１およびΩ２にわたり、但し異なる角度セクタの上において、延在する。角度Ω１とΩ２は同一であっても相違していてもよい。
【００４３】
第１電極および第２電極は、それぞれ電源６５に接続されるための第１端子５５および第２端子６０を備えている。第１トラックおよび第２トラックは、それぞれの端子に接続されている。
【００４４】
両端子は、電極と同一の材料で且つ同一の堆積プロセスの間に作られうる。代わりに、それらは異なる材料で作られうる。
【００４５】
第１および第２トラックからなる組は、図１に示されるように、中心Ｃを含む中央ゾーン７０を完全に取り囲んでいる。このようにして、基本のＳＡＷが、第１および第２のトラックによって覆われたほぼすべての角度区画によって放射され、中央ゾーン内に、渦を巻くＳＡＷを発生させるように干渉する。
【００４６】
渦を巻くＳＡＷのダークスポットが発生する領域は、中心Ｃを含む。
【００４７】
図３は、第１および第２トラックが螺旋の周りを２回転を超えて走行することで、図２に示された実施態様とは異なる代替の実施態様を示している。
【００４８】
回転数を増加させることは、渦を巻くＳＡＷの音響パワーを増加させる結果となる。
【００４９】
渦を巻くＳＡＷの基本波長λは、２つの隣接する第１と第２電極の間の間隔によって決定される。図４に示されるように、２つの隣接する第１と第２トラックの間の半径方向の間隔Δは、好ましくはλ／２に等しい。
【００５０】
図２および図３に示された電気音響機器において、螺旋はアルキメデス螺旋であり、該アルキメデス螺旋は、基板がＳＡＷ音響波に関して等方性である材料から作られている場合に好ましい。
【００５１】
これ以降に現われるように、電極トラックの別の形状が、異方性基板においてＳＡＷを伝播させるように適合される。
【００５２】
全体の記載を通じて、別段の定めがない限り、用語「等方性」および「異方性」は、それぞれの任意の材料におけるＳＡＷの伝播に関しての等方性および異方性を指す。
【００５３】
異方性材料において、方向依存性の波動速度、結合係数、およびビーム攪拌角を特に考慮しなければならないので、渦を巻くＳＡＷの生成は複雑である。これは、異なる方向に伝播するＳＡＷが干渉する仕方を変更しうる。
【００５４】
異方性基板において、ＳＡＷの波長、その速度および振幅は、ＳＡＷが伝搬する方向に依存しうる。
【００５５】
さらに、物質、例えば支持部が基板上に積み重ねられ且つこの基板と音響的に結合されている場合に、渦を巻くＳＡＷは、支持部のバルク内を伝達させられうるが、しかしＳＡＷは、基板と支持部との間の境界で、支持部のバルク内を伝播する音響渦または擬似音響渦に縮退する（degenerate）。ＳＡＷの形状、すなわち特に異なる基板方向におけるその位相および振幅は、支持部と基板との間の何らかの等方性の不一致によっても変更される。基板は異方性材料で作られ、且つ支持部は等方性材料で作られてもよい。
【００５６】
好ましくは、第１および第２トラックの各々は、式（１）により定義される線に沿って螺旋を巻く。
【数４】
2019519193.tif 000008
2019519193.tif 000009
2019519193.tif 000010
【数５】
2019519193.tif 000011
‐補正項μ０は、基板と音響的に結合された少なくとも１つの材料の積層物のバルクにおける渦の縮退（degeneration）を補正する。それは、所望の高さｚｎで渦を巻くＳＡＷに縮退するであろうところの前駆波を合成するために、渦を巻くＳＡＷが該基板から上記材料のバルクへ伝達され音響渦または擬似音響渦として伝播する場合においてである; 
【数６】
2019519193.tif 000012
2019519193.tif 000013
ｚｉ−ｚｉ−Ｉは基板上に積層された材料を分離する二つの隣接する境界の間の距離であり、z０は基板と該基板に接触する層との間の境界の高さであり、そして、ｚ０は基板の表面（ここに渦を巻くＳＡＷが生成される）の高さである。
材料が基板と結合していないとき、μ０（Θ）＝０である。
【００５７】
2019519193.tif 000014
【００５８】
式（１）において明瞭に示されているように、トラックがその回りで螺旋を巻くところの線のパターンは、多様な基板材料に適合させられうるけれども、そしてもし基板上に積層されたいずれかの支持部の材料に対して適切であれば、にもかかわらず、それは機器の作動周波数、材料特性、および厚さの単一の組に特有である。
【００５９】
特にパターン形状は、基板内を伝播するＳＡＷの周波数に依存する。渦を巻くＳＡＷが伝達され、これら材料の体積内で音響渦または擬似音響渦として伝搬するように材料が基板上に積み重ねられている場合、パターン形状はまた、この媒質（またはこれら複数の媒質）内の横および縦のバルク音響波の速度に依存する。
【００６０】
図５に示されたように、異方性基板、例えばＸカットのニオブ酸リチウム基板における平面フロントＳＡＷの振幅８０は、基板内の波の伝播角度ψに依存する。したがって、基板の異方性は、波の伝搬に影響を及ぼす。
【００６１】
さらに、図６によって示されたように、表面基板における平面フロントＳＡＷのレイリー速度も、波の伝搬方向に依存する。この依存性は、基板表面が自由で且つ空気に接触しているか（曲線８５）、または支持部（例えば２ｍｍの厚さのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）板（曲線９０）、または金コーティング（曲線９５）が上記基板に堆積されているかによって観測される。
【００６２】
2019519193.tif 000015
【００６３】
図８は、一次異方性渦（ｌ＝１）についての且つ異方性Ｘカットのニオブ酸リチウム基板についての式（１）から計算された線Ｒ(θ)の軌跡（ｍｍ単位で表示）を示す。度で表された角度が、図面の周辺に規則的に示されている。線Ｒ(θ)のグラフは、図５〜図７に示されたような、補正項μ０（Θ）、振幅およびレイリー速度の進展を考慮に入れている。図８において、１次の渦を巻くＳＡＷのための相変化による、急峻な遷移がθ＝４５°で見られる。
【００６４】
2019519193.tif 000016
【００６５】
このようにして、第１および第２トラックは、同じ中心を含み、λ／２に等しい半径方向の間隔で半径方向ＤＲに沿って離れている。
【００６６】
観察されうるように、トランスデューサは交互に噛み合わされている。第１トラックおよび第２トラックは、互に他のトラックと瓦状に重ねられている。
【００６７】
電極は、直線状の形状を有する第１電源端子５５および第２電源端子６０を備え、それら電源端子は各々、第１トラックおよび第２トラックのそれぞれに電気的に接続されている。
【００６８】
例えば、式（１）に従う図９の機器のトラックの設計は、基板内に渦を巻く音響波を発生させるように、並びに１０ＭＨｚに等しい波長の音響渦を、トランスデューサの頂部に設けられ、且つ基板と支持部との間に挟まれた数ミクロンの厚さのシリコン油層によって結合された、ＰＭＭＡで作られた厚さ２ｍｍの支持部内を伝播させるように適合される。シリコン油層は、その厚さが音響波長よりはるかに小さいので、音響波の伝播に実質的に影響を与えないで、基板と支持部との間の結合を達成している。
【００６９】
本発明による機器は、第１電極のいくつかのトラック（特に、図９に示されたような２つのトラック１１０ａ、１１０ｂ）であって、単一の第１の螺旋巻きに沿って走行するもの、及び／又は、第２電極のいくつかのトラック（特に、図９に示されたような２つのトラック１１５ａ、１１５ｂ）であって、単一の第２の螺旋巻きに沿って走るものから成る組が、全体的に中心を取り囲んでいるものでありうる。
【００７０】
さらに、２つの隣接する第１トラック１１０ｂ、１２０および第２トラック１１５ａ、１２５はそれぞれ、第１および第２の２つの隣り合う螺旋巻きにそれぞれ沿って走行しうる。
【００７１】
さらに、図９の機器の第１電源端子及び／又は第２電源端子、並びに複数の第１トラック及び／又は第２トラックは、第１および第２の夫々の電極トラックが、基板に垂直な方向に沿って観察されるとき、フォークの形を有しているように配設されている。
【００７２】
図９に示されたトランスデューサは、以下の方法に従って製造されうる。Ｘカットの厚さ１ｍｍのニオブ酸リチウム基板は、研磨され且つ洗浄され（例えば、アセトン-イソプロピル-エタノールで）、次いで１００℃で１分間乾燥させられる。プライマーの層、次いでAZ1512HS樹脂の層が、基板面上に４０００ｒｐｍで遠心により堆積され、１００℃で１分間アニールされる。トランスデューサの電極のパターンの正であるマスクが、樹脂上に置かれる。図２９は、後に説明されるように、複数のトランスデューサを含む電気音響機器を製造するためのマスク１２６を示す。次いでプライマーはＵＶ照射に曝される。基板はその後、厚さ５０ｎｍのクロム層を堆積させるために蒸発器内に置かれ、続いて２００ｎｍの金の層を堆積させられる。
【００７３】
次いで、基板は、８０ｋＨｚの超音波放射に付されたアセトン浴内に４５℃の温度で１０分間浸漬される。
【００７４】
図１０は、基板内において異なる波長の第１および第２の渦を巻く超音波表面波を生成するように構成された第１トランスデューサ１３０および第２トランスデューサ１４０を含む電気音響機器を示しており、第１および第２トランスデューサのそれぞれの第１および第２トラックは、同一の中心Ｃの周りに螺旋を巻いている。第１および第２トランスデューサは、同じ基板３０を共有している。
【００７５】
第２トランスデューサよりも低い周波数で動作するように意図された第１トランスデューサは、第２トランスデューサを取り囲んでいる。
【００７６】
トランスデューサのこの特定の構成は、小型の電気音響機器をもたらす。
【００７７】
基板は、図９の実施態様の基板と同じであり且つ同じ方向に向けられている。
【００７８】
第１および第２トランスデューサの２つのトラックは基板上に設けられ、両者は、上に記載されたような式（１）のそれぞれの線に従う。式（１）のパラメータは、第１および第２トランスデューサがそれぞれ１０ＭＨｚと３０ＭＨｚの基本周波数で、渦を巻くＳＡＷを基板内に生成するように選択される。該ＳＡＷは、中心Ｃを貫通し且つ基板に垂直な軸の周りに、それぞれ第１の回転と第２の反対向きの回転を有して渦を巻く。
【００７９】
第１の回転および第２の反対向きの回転は、式（１）においてそれぞれ適切な渦巻き次数（swirl orders）ｌ（それぞれ値＋１および−１）を選択することによって得られる。
【００８０】
図１０に示された機器は、操作されるべき対象物における渦を巻くＳＡＷによって誘起されたトルクが制御されなければならないいずれかの用途に特に適している。
【００８１】
特に、電極のトラックパターンは、音響渦または疑似音響渦が基板によって伝達され、基板と音響的に結合された厚さ１５０μｍのホウケイ酸ガラスス薄片内に伝搬するように構成されている。
【００８２】
図１１は、第１電極と第２電極との２つの組１４５、１５０を含むトランスデューサを備える電気音響機器２５を示している。基板３０は、図８および図９の例と同じである。
【００８３】
第１の組１４５は第１電極および第２電極（参照符号は１４６および１４８）を含み、第２の組１５０は第１電極および第２電極（参照符号は１５２および１５４）を含む。第１電極および第２電極の各々は、一般式（１）の線に従うところの第１および第２の複数のトラックを含む。この電気音響機器は、渦巻きの次数が電気入力信号の周波数に比例することを利用する。第１の複数のトラックおよび第２の複数のトラックはそれぞれ、渦巻き次数ｌがそれぞれ１に等しく、３に等しいことを考慮してその式が計算されるところの線に沿って螺旋状になっている。
【００８４】
このようにして、図１１に示された電気音響機器のトランスデューサは、それぞれ１０ＭＨｚと３０ＭＨｚの２つの基本周波数で動作する信号を発生するよう適合されている。
【００８５】
特に、電気音響機器は、半径方向に沿った２つの隣り合う第１トラックが、第２電極の２つの隣り合う第２トラックと半径方向において交互にされているようなものである。
【００８６】
図１１に示された機器は、流体を混合することを可能にするか、または単一の基本周波数のみを有する渦を巻くＳＡＷによって捕捉されないであろう非常に小さな粒子を操作することを可能にするところの定常的な流れをトランスデューサの中心の周りに発生させるのに特によく適合される。
【００８７】
図１２は、本発明の第２の局面による電気音響機器１６０を示す。
【００８８】
それは、周囲が円１８０（図１２で破線で示されている）によって区切られた中央ゾーン１７５を有する基板１７０、好ましくは異方性Ｘカットのニオブ酸リチウム結晶を含む。３２個の一方向のトランスデューサの交互に噛み合わされた部分１８５１および１８５２（これらのうちの２つにのみ符号が付されている）、好ましくはＳＰＵＤＴ交互に噛み合わされたトランスデューサは、中央ゾーン１７５の周りの基板上に備えられる。交互に噛み合された部分１８７１、１８７２は、中央ゾーンの円周に沿って規則的に空間を空けられている。トランスデューサの数は３２個に限定されない。しかし、少なくとも４であることが好ましい。最も高い数が好ましい。なぜなら、それが、中央ゾーンのより均一な空間被覆を与え且つ目標とされた波動場のより良い合成を可能にするからである。多数の表面波の干渉は、渦を巻くＳＡＷの発生を向上させる。
【００８９】
図１３に示されたように、各交互に噛み合わされた部分１８７は、逆極性の第１電極１９０および第２電極１９５のそれぞれの交互に噛み合わされた第１トラックおよび第２トラックから構成されている。各交互に噛み合わされた部分の少なくとも１つのトラックは、円周に接している。さらに、図１３に示されたように、第１トラックと第２トラックとは、互いに平行である。第１および第２トラックの幅は、異なっていても同じであってもよい。
【００９０】
各トランスデューサは、第１電極２１０および第２電極２２０がそれぞれ接続されている上述の交互に噛み合わされた部分またはトラックを含む第１電極２００および第２電極２０５をさらに備える。各トランスデューサの第１および第２電極は、電源端子を介してコントローラ２２５に電気的に接続されている。図面においては、明瞭性のために、２組の電極のみが接続されているとして表示されているが、実際には３２個のトランスデューサ全てが接続されている。
【００９１】
図１２の実施態様において、中央ゾーンは、マイケルソン干渉計を用いて中央ゾーン内の渦を巻くＳＡＷの振幅および位相を測定するための鏡として働くことを意図された金の層２３０によって覆われている。
【００９２】
図１２の電気機器において、夫々のトランスデューサが、１２ＭＨｚの周波数で基板を伝搬する定在ＳＡＷを生成するように構成されている。３２個のトランスデューサによって放出されたＳＡＷは、中央ゾーンにおいて干渉する。以下でさらに明らかになるように、コントローラは、ＳＡＷの干渉が中央ゾーンにおいて渦を巻くＳＡＷを生成するように、各トランスデューサを制御するように構成されている。
【００９３】
図１４は、図１２の電気音響機器１７０の変形例を示す。中央ゾーン１７５の周囲１８０が円形ではなく、基板内を伝播する平面フロントＳＡＷの波面に相似の線に従うことにおいて、図１４は図１２とは特に異なる。
【００９４】
図１４の実施態様は、図１５に示されるように、第１トラックおよび第２トラックが湾曲しているという点で、図１２の実施態様とは異なる。トラックの湾曲は、波動回折（特に異方性基板における）を促進する。これは、基板の中央ゾーン（例えば５ｍｍの半径を有する）の各トランスデューサによって照射を改善する。この改善は、多種多様な音響波動場（例えば、焦束されたＳＡＷ、平面伝播ＳＡＷ、および特に渦を巻くＳＡＷ）の合成を達成することを可能にする。
【００９５】
トラックの特定の湾曲は、文献「Subwavelength focusing of surface acoustic waves generated by an annularinterdigital transducer（環状の交互噛み合わせ型トランスデューサによって生成された表面弾性波のサブ波長集束）」、Laudeら、Applied Physics Letters 92, 094104(2008)の教示に従って行われる。
【００９６】
本発明のいくつかの実施態様による機器のコントローラ２２５は、放出されたＳＡＷが中央ゾーンで干渉してその中に渦を巻くＳＡＷを生成するように各トランスデューサを制御するように構成されている。
【００９７】
特に、コントローラは、各トランスデューサに電気入力信号を送信することによって各トランスデューサに電力を供給する。好ましくは、コントローラは、各トランスデューサに送られるべき入力信号のパラメータが記憶される記憶ユニットを備えている。好ましくは、入力信号はＡＣ電気信号であり、パラメータは入力信号の最大強度および位相である。
【００９８】
好ましくは、構成のための方法は、電気音響機器（例えば、図１２および図１４に示された）の最初の使用の前に実行される。
【００９９】
「逆フィルタ法（inverse filter method）」とも呼ばれる、構成のためのこの方法は、図１６に示されている。
【０１００】
電気信号２３０ｅｉ（ｔ）〈好ましくはインパルス信号〉が、コントローラによって、中央ゾーンを取り囲むトランスデューサの組の中の唯一つのトランスデューサ２３５ｉに送られる。トランスデューサは、この電気入力信号を、中央ゾーン１７５内に伝播するＳＡＷに変換する。コントローラは、その他のトランスデューサをコントローラへ中継している電気回路が開かれるように構成されている。このようにして入力信号は、コントローラからその他のトランスデューサへは送られない。
【０１０１】
トランスデューサｉによって基板内に放出されたＳＡＷｓｊ（ｔ）は、中央ゾーン内に置かれたいくつかの制御点ｊのそれぞれで測定される。好ましくは、制御点２４０１、２４０２の数は少なくとも２、さらに好ましくは少なくとも４、さらに好ましくは少なくとも１０、さらに好ましくは少なくとも１００、さらに好ましくは少なくとも２００である。例として、４００個の制御点が、１×１ｃｍ２の表面に分布されうる。好ましくは、２つの制御点間の距離はλ／２未満であり、λはトランスデューサｉによって放射される定在ＳＡＷの波長である。好ましくは、制御点は中央ゾーンにおいて規則的に分布させられる。
【０１０２】
すべての点ｊでのＳＡＷｓｊ（ｔ）の振幅および位相は、好ましくはマイケルソン干渉計２４５（その一方のアームは任意の制御点jに焦点を合わせられることができる）によって測定される。基板がニオブ酸リチウムで作られている場合に、ビームを反射する鏡として働き且つ測定の質を向上させる金の層で中央ゾーンを覆うことが好ましい。
【０１０３】
入力信号が放射された後、コントローラはトランスデューサｉをスイッチオフし、トランスデューサ２５０ｋに入力信号ｅｋ（ｔ）を送る。すると、ＳＡＷｓｊ（ｔ）が制御点jで測定される。
【０１０４】
すべての逐次的に電力供給されたトランスデューサｉの入力信号ｅｉ（ｔ）およびＳＡＷｓｊ（ｔ）は、記憶ユニット２５５に記憶されうる。
【０１０５】
入力信号ｅｉ（ｔ）およびＳＡＷｓｊ（ｔ）の測定された振幅および位相は、以下の関係：
【数７】
2019519193.tif 000017
によって関連付けられうる。ここで、＊は畳み込み積を表し、ｈｉｊは、トランスデューサｉによって放射された入力信号ｅｉに対する制御点jにおける時間応答である。スペクトル領域において、Ｈｉｊ＝Ｆ（ｈｉｊ）は、トランスデューサiの制御点ｊでの伝達関数のフーリエ変換である。
【０１０６】
行列形式（ここで、ＥとＳは、信号ｅｉ（ｔ）およびｓｉ（ｔ）のそれぞれのフーリエ変換ＥｉおよびＳｊを含むベクトルであり、Ｈは演算子Ｈｉｊの行列形式である）を用いると、線形の以下の関係が得られる。
【数８】
2019519193.tif 000018
【０１０７】
次に、周知の古典的な擬似行列反転手法を用いて、全ての制御点ｊにおける渦を巻くＳＡＷのフーリエ変換に対応するベクトルＳ’を得るために、ベクトルＥ’を計算することができる２６０。
【０１０８】
最後に、ベクトルＥ’の各成分（それは渦を巻くＳＡＷを生成するように各トランスデューサｉによって放射されるべき入力信号ｅ’ｉ（ｔ）のフーリエ変換に対応する）は逆フーリエ変換２６５によって得られうる。
【０１０９】
一度、構成のための方法が完了すると、次にコントローラは、いくつかのトランスデューサ、好ましくはすべてのトランスデューサに一緒に給電するために、且つ各トランスデューサに出力信号ｅ’（ｔ）２７０を送るように構成される。各入力信号は、好ましくは、それ自身の特徴（例えば、少なくとも２つの放射トランスデューサの間で異なるところの特定の位相及び／又は振幅）を有する。このようにして、トランスデューサの各々によって放射されるＳＡＷの中央ゾーンにおける干渉は、基板の中央ゾーンにおいて渦を巻くＳＡＷを生成する。
【０１１０】
図１７は、本発明による構成するための方法によって設定された、図１２の電気音響機器で生成された一次ベッセル波渦巻きＳＡＷの振幅２７５１および位相２８０１を示す。振幅と位相はマイケルソン干渉計で測定された。
【０１１１】
５０μｍの大きさのダークスポット２８５が、渦の中心で見られ、位相特異点と一致する。ダークスポットは、明るい同心円のリングとは対照的である。理論的な振幅２７５２および位相２８０２も比較のために示されている。理論的な渦と実験的な渦の間の正確な一致が、振幅と位相の両方で達成されている。
【０１１２】
図１８は、本発明の或る実施態様による、基板３１０に重なる支持部３０５を含む電気機器３００を示している。支持部は、電極３１５と重なることができ、または中央ゾーン３２０とのみ重なりうる。
【０１１３】
さらに、支持部は電気音響装機器から取り外し可能である。
【０１１４】
トランスデューサのトラックは、基板と支持部との間に置かれうる。
【０１１５】
支持部は、好ましくはガラスおよびポリマー、好ましくは熱可塑性樹脂、最も好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）から選択される。好ましくは、支持部はガラスを含む材料で作られている。
【０１１６】
好ましくは、支持部の材料は等方性である。好ましくは、それは圧電性ではない。
【０１１７】
支持部による摩擦からトラックを保護し且つ損傷を防止するために、トランスデューサは、保護コーティング３２５（好ましくはシリカを含む）によって少なくとも部分的に、好ましくは全面的に覆われている。好ましくは、保護コーティングの厚さはλ／２０未満である。ここで、λは渦を巻くＳＡＷの基本波長である。このようにして、渦を巻くＳＡＷの伝達は、保護コーティングの影響を受けない。
【０１１８】
好ましくは、音響波の最適な伝達のために、結合用流体層３３０（好ましくはシリコンオイルからなる）が、支持部と基板との間に挟まれている。好ましくは、結合用流体層の厚さはλ／２０未満であり、λは渦を巻くＳＡＷの基本波長である。これによって、渦を巻くＳＡＷの伝達は、結合用流体層の影響を受けない。シリコンオイルは、低い誘電率を有し、かつ劣化しないので好ましい。さらに結合用流体は、基板に相対的な支持部の容易な変位を可能にする。
【０１１９】
電気ブラシ３３５は、トランスデューサに電力を供給するために電極と接触している。
【０１２０】
図示されたように、電気音響機器はまた、支持部上に設けられ且つチャンバを画定する溝３４５（好ましくはＰＤＭＳで作られ、例えば、操作されるべき対象物３５０を含む液体媒質を収容するように構成されたマイクロチャネルの形状を有する）被覆部３４０を備えている。
【０１２１】
好ましくは、図１８の実施態様において、渦を巻くＳＡＷは一般化されたレイリー波である。好ましくは、基板の厚さは１０λより大きく、λは渦を巻くＳＡＷの基本波長である。
【０１２２】
前述されたように、電極のトラックのパターンは、基板の表面で生成された渦を巻くＳＡＷが伝達され且つ液体媒質と対象物とに到達するまで支持部内の音響渦または擬似音響渦として渦を巻く３６０ように設計されうる。
【０１２３】
好ましくは、支持部が等方性材料で作られている場合に、電極のパターンは、トランスデューサによって生成された渦を巻くＳＡＷの、基板と支持部との間の界面での縮退が、基板に対して垂直方向に且つトランスデューサの中央ゾーンの中心の上方に重ねて置かれた容積部（正方形３６５として表示される）内に集中するところの、関連する放射圧を有する音響渦または擬似音響渦をもたらすようなものである。渦を巻くＳＡＷの波長に匹敵するサイズを有する上記容積部（「３Ｄトラップ」とも呼ばれている）の近傍に置かれた対象物は、上記対象物を容積部内に閉じ込めることを目的とする吸引力に付される。特に、トラップ内のいかなる変位も、３つの空間次元すべての内に制限される。
【０１２４】
図１９に示された変形例において、電極のトラックは、支持部に面する基板の面３７５の反対側の基板の面３７０上に堆積させられうる。好ましくは、図１９の実施態様において、渦を巻く波は、ラム波またはバルク波のいずれかである。
【０１２５】
それがラム波である場合には、基板の厚さはλ／２よりも薄く、λは渦を巻くＳＡＷの基本波長である。この解決策は、周波数が増加するにつれてより薄い基板を必要とする。
【０１２６】
特に、ラム周波数が余りにも薄い基板をもたらす場合、例えば厚さが２００μｍ未満の場合、擬似音響渦はより厚い基板内に直接に発生させられうる。これは、基板の厚さ方向に一定の角度で放射するバルク縦波疑似音響渦またはバルク横波音響渦のいずれかでありうる。第１トラックと第２トラックとの間の間隔は、波長の射影と一致するように選択されうる。
【０１２７】
有利には、図１９の実施態様において、トランスデューサは、支持部による損傷から且つ結合用流体によって引き起こされる何らかの汚染から保護される。さらに、支持部と接触している基板の面は、支持部が基板から除去されるときに、電極を損傷するどのような危険もなく容易に洗浄されうる。図１９のように支持部と反対側の面に設けられたトラックを有する機器は、渦を巻くＳＡＷの発生および伝搬に負の影響を与える結合用流体なしに、高導電性結合用流体または高誘電率結合用流体（例えば水系ゲル）を含みうる。
【０１２８】
さらに、電気的接続部（例えば接触ブラシ）は、トラックと同じ側に設けられうる、これは、機器の製造を簡単にし、且つ使用者に対してより人間工学的にする。
【０１２９】
図２０は、本発明の第１の局面による電気音響機器３８０の変形例を説明し、それは中心ＣＤのディスク形状である基板３８５を備えている。基板は、複数のトランスデューサ３９５１,３９５２を画定する、基板上に設けられた複数の電極パターン３９０１、３９０２を含んでいる。好ましくは、図示されたように、トランスデューサは、ディスクの中心の周りに規則的に設けられている。
【０１３０】
電気音響機器は、好ましくは不透明でない、より好ましくは透明である支持部４００をさらに含んでいる。支持部は、基板と部分的に重なる。支持部およびトランスデューサは、機器の少なくとも１つの位置において、トランスデューサの少なくとも１つが支持部によって全体的に重ねられるように設けられる。好ましくは図１８に示されたように、トラックは、支持部と対向するように意図された基板の面上に設けられる。
【０１３１】
被覆部４０３は、支持部上に配置されている。
【０１３２】
基板は、ディスクの中心ＣＤを通る軸ＸＤの周りに回転可能に設けられている。特に、電気音響機器は、基板を軸ＸＤの周りで回転させることによって、複数のトランスデューサのうちの各々のトランスデューサが、支持部と、特に支持部上に提供された操作されるべき対象物と、重ねられるように位置決めされうるように構成されている。
【０１３３】
さらに図示されたように、電気音響機器は、支持部に接続されたマイクロマニピュレータ４０５を備えることができ、このマイクロマニピュレータ４０５は、トランスデューサに相対的な支持部の移動（好ましくは基板に対して平行な、好ましくは２つの垂直軸に沿う）によって、正確な位置決めを可能にする。マイクロマニピュレータは、光学機器（例えば顕微鏡）に固定されうる。
【０１３４】
さらに電気音響機器は、電極に電気的に電力を供給するために、外側接触ブラシ４１０および内側接触ブラシ４１５を備えている。電気音響機器はまた、接触ブラシが電気的に接続されうるところの電力供給装置４２０を備えうる。好ましくは、電極に接触することを意図された接触ブラシの端部４２５、４３０は、基板に対して固定されうる。特にこれらは、基板の中心に対して一定の極座標で設けられうる。
【０１３５】
複数の電極の各々は、第１電源端子４３５１、４３５２と第２電源端子４４０１、４４０２とを含む。同じ極性の電極の全ての電源端子は、好ましくは、各トランスデューサの同じ側に放射状に設けられる。図２０に示されるように、トランスデューサの第１および第２電極のそれぞれの電源端子は、電極のトラックの半径方向の外側および内側にある。さらに、第１電極のすべての電源端子は、基板の周囲に（好ましくは円の周りに）延在する共通の電源トラック４５０に電気的に接続される。
【０１３６】
外側接触ブラシは、好ましくは外側トラックと接触している。ところで、機器の使用者が、特定のトランスデューサを支持部に面するように配置するために基板を回転させるとき、上記トランスデューサの第１電極と外側接触ブラシとの間の電気的接触は、外側接触ブラシの移動なしに達成される。
【０１３７】
好ましくは、トランスデューサの１つの複数の第２電源端子のそれぞれは、トランスデューサが支持部に面するように、基板が軸ＸＤの周りに回転されるとき、第２電源端子が内側接触ブラシと電気的に接触するように設けられている。
【０１３８】
有利には、図２０に示された電気音響機器は、各トランスデューサに逐次的に電力を供給するために、単一の電源供給装置と単一の接触ブラシ対を必要とする。それは高価な電子デバイスを備えた複雑な制御システムを必要とせず、従って従来技術の電気音響機器よりも安価である。さらに上述されたように、いくつかのトランスデューサを含む電気機器の製造は、例えば図２９に示されるようなマスク１２６を用いる実質的に高価ではないフォトリソグラフィによって実行されうる。
【０１３９】
さらに、使用者が簡単な回転操作によって機器の任意のトランスデューサを選択することができるので、機器は使用が容易である。さらに、図２０に見られうるように、各トランスデューサは使用者によって視認可能であり、このことは、対象物を操作する前の初期の位置決めを容易にする。
【０１４０】
例示として、図２１は、電気音響機器４６０を示しており、この機器４６０は、電極トラックが、既に図１９に示されているように、支持部に対向する面と反対の基板４７０の面４６５上に配置されているという事実によって図２０の電気音響機器とは異なる。
【０１４１】
図２２は、図２０の電気音響機器３８０を含む顕微鏡４８０を示す。電気音響機器は顕微鏡のデッキ上に固定され、その結果、操作されるべき対象物が置かれるところの支持部の領域が顕微鏡の対物レンズ４８５に重なる。
【０１４２】
光学機器は、中央ゾーン４９５内に捕捉された対象物４９０の、電気音響機器によって操作されながらの観察を可能にする。
【０１４３】
図２３の変形例において、本発明の電気機器のトランスデューサ５００は、光機器の対物レンズ５０５上に配置される。対物レンズの倍率は、操作されることを意図された対象物のサイズに直接的に関係するので、対物レンズ上に配置されたトランスデューサは、好ましくは、対物レンズで全体的に観察されうるところの対象物を操作するように適合されている。好ましくは、単一のトランスデューサが対物レンズ上に配置される。
【０１４４】
トランスデューサは、外側レンズ（特に対物レンズの保護レンズ）上に設けられうる。それはまた、対物レンズの内側レンズ内に設けられうる。好ましくは、電気機器の基板は、対物レンズ上に堆積された圧電材料（例えば、ＡＩＮ、ＺｎＯ）から作られたコーティング（好ましくは、生成効率を最適化するために電気機器によって用いられる周波数に関連する厚さを有する）の形態であり、その頂部に電極が配置され、好ましくはフォトリソグラフィによって堆積される。対物レンズは、トランスデューサに電力を供給するための手段を含みうる。
【０１４５】
１変形態様において、基板は、レンズに固定されるように構成されている基部上に配置されうる。基部は、不透明でないもの（好ましくは透明な材料）からなる部分を含むことができ、その上に基板が層として配置される。
【０１４６】
好ましくは、結合用流体は対物レンズと支持部との間に挟まれている。
【０１４７】
図２３の実施態様において、トランスデューサによって生成された渦を巻くＳＡＷは、伝播させられ得、且つ例えば、対物レンズがそこに浸けられた液浸油を通して音響渦または擬似音響渦として伝達されうる。
【０１４８】
好ましい実施態様において、光学機器は、本発明の第１の局面による電気音響機器を含んでいる。
【０１４９】
図２３において例示されたような実施態様は、光機器をよりコンパクトにし、そして対象物の操作がより容易になされる。さらに、それは１ｍｍを超える厚さを有する基板において遭遇する可能性のある光の伝搬に関連する問題を低減する。
【０１５０】
さらに、光学機器は複数の対物レンズを含むことができ、各対物レンズは本発明による１の電気音響機器を含み、これら電気音響機器は互いに異なっている。好ましくは、各トランスデューサは、複数のトランスデューサの少なくとも１つ（好ましくは全て）の電極のパターンと異なるところの電極のパターンを有している。例えば、このようにして、段々により小さいトラップ内に対象物を捕捉するように、複数の対物レンズを逐次的に変更することが可能である。
【０１５１】
例えば光学機器（例えば、図２２に示されたような顕微鏡）に含まれた電気音響機器は、例えば以下のように用いられうる。
【０１５２】
使用者は、支持部の頂部に対象物を含む液体媒質を配置しうる。次に、使用者は、先ず、対物レンズの視野と重ねられるように、例えばマイクロマニピュレータを用いて支持部を移動させることによって、液体媒質を位置決めしうる。
【０１５３】
次に、使用者は、意図された対象物操作（例えば、変位、混合、合体および分割の中から選択された）に対して適合されているところのトランスデューサを選択しうる。前述されたように、渦を巻くＳＡＷの基本周波数は、トランスデューサの電極パターンによって規定される。当業者は、操作されるべき対象物のサイズに応じて適切な周波数を選択する仕方を知っている。
【０１５４】
次いで、使用者は、対象物および支持部が選択されたトランスデューサと重なるように基板を回転させうる。次に、マイクロマニピュレータを用いて、使用者は、例えば図９に示されたように、トランスデューサの中心の位置を示している視覚的マーカ５１５を、支持部および対象物に対して配置しうる。視覚的マーカはまた好ましくは、渦を巻くＳＡＷのダークスポット（その頂部に対象物が捕捉されるはずである）の位置に対応する。
【０１５５】
次に、トランスデューサに電力を供給し、そして渦を巻くＳＡＷを生成することによって（該ＳＡＷは、支持部内の音響渦または擬似音響渦として伝達され且つ液体媒質中にまで伝播する）、対象物は操作され、変位され、ダークスポットの頂部に捕捉される。
実施例１〜４：変位、融合、噴霧および分割
【０１５６】
初期体積２μｌの水滴が、図１４に示された電気音響機器の中央ゾーンに配置される。１１．９ＭＨｚの周波数を運ぶ継続時間２５μｓのバーストおよび数ｋＨｚの可変繰り返し速度が、液滴の駆動に用いられる。対応するパルス系列は、図２４〜図２７の下部に示されている。
【０１５７】
図２４〜図２７に示されたパルス系列５２０の各タイプについて、以下の操作が実行された：液滴変位５２５（図２４）、２つの液滴の融合５３０（図２５）、２次およびゼロ次の渦を巻くＳＡＷによりそれぞれ得られるところの液滴噴霧５３５（図２６）。図２７は、２つの異なる焦点を有する集束された波のバーストを合成することによって得られるところの液滴分割５４０を示す。
実施例５：細胞の操作
【０１５８】
細胞および液滴の操作は、図２２に示されたような顕微鏡で実行され、その結果、同様の物理的性質を有する複数の幹細胞からなる細胞の同種または異種のネットワーク（例えば幹細胞ニッシェ）を創り出す。
【０１５９】
液滴は、単一細胞生物学の分野において用いられる液滴ベースのマイクロ流体工学の基礎である。本発明の電気音響機器は、実験の大規模な蓄積内でそれらをサンプリングすることによって稀な事象、即ち癌および薬物耐性研究の現在の主要な問題、の詳細な研究を可能にする。
【０１６０】
この観点において、トランスデューサの中央ゾーンは、マイクロマニピュレータによって提供される変位によって操作されるべき粒子の集合の下方に置かれる。１つの粒子がトランスデューサの中央ゾーンの中心にあるとき、ＳＡＷのダークスポットの吸引効果に該粒子を付すために、渦を巻くＳＡＷを生成するように、電源がオンにされる。操作は、３０ＭＨｚの周波数および５Ｖppの電圧振幅を有する渦を巻くＳＡＷを用いて行われ、これは１０μｍサイズの粒子を捕捉するのに十分である。
【０１６１】
次いで、支持部は、マイクロマニピュレータによって提供される変位によって移動されるが、捕捉部、即ちトランスデューサの中心に対する粒子の位置は、空間的に固定されたままであり、一方、捕捉部から離れた他の粒子は、支持部の変位に従う。
【０１６２】
選択された対象物が移動させられると、電源はオフにされる。
【０１６３】
次に、もう１つの粒子を移動させるために粒子を所定のパターンで集めるように、この手順は繰り返される。
【０１６４】
捕捉力は、音響パワーに比例し、波長に反比例する。それはまた、密度及び／又は弾性が流体媒質とは異なっている対象物に対して一層強い。
実施例６：細胞の変形
【０１６５】
電気音響機器はまた、生物学的細胞および粒子に力を加えるように実装される。
【０１６６】
今日、細胞に対する力とストレスがそれらの運命を決定する可能性があることが理解されている。体細胞はストレスに適応して堅くなり、幹細胞の分化は外部の機械的ストレスの影響を受ける。それにもかかわらず、細胞にストレスをかけるための方法は限られていた。
【０１６７】
抗体被覆された微小球と細胞膜とを含む液体媒質は、マイクロマニピュレータによって提供される変位によって、操作されるべき対象物の下方に置かれる。適切なトランスデューサは、トランスデューサの中心の上に抗体被覆された微小球を捕捉するように給電される。電力が印加されている間、支持部は、細胞膜が抗体被覆された微小球と接触しそしてこの微小球によって変形されるように移動される。
実施例７：定常電流および渦度
【０１６８】
渦を巻くＳＡＷがマイクロチャネル内に定常的な渦電流を発生するように生成され、それは、非接触混合、またはλ／１０未満のサイズの粒子に流体力学的ストレスを印加する、若しくはλ／１０未満のサイズの粒子を移動させるために有用である。
【０１６９】
流れの速度は、媒質内の音響パワーに比例し、波の周波数の２乗、渦巻き次数、およびチャネルの高さの２乗のいずれによっても増加する。
【０１７０】
マイクロチャネルを画定する溝を有するチャンバが、支持部上に配置され、溝はトランスデューサの中心に垂直に配置される。粒子の集合を有する液体媒質がマイクロチャネル内に置かれる。
【０１７１】
溝は、好ましくはλよりも大きい深さを有する（ここで、λは渦を巻くＳＡＷの波長である）。トランスデューサに電力を供給すると、液体媒質中に形成されたサイクロンの形態での、マイクロチャネル内に観察されるストリーミングを生じ、その目は放射し渦を巻くＳＡＷの中心に置かれている。ストリーミングを促進するために、例えば、別のトランスデューサを使用して周波数を増加させうる。
実施例８：粒子の変位
【０１７２】
直径３０μｍの蛍光ポリスチレンビーズ５５０の懸濁物を含む液滴は、図２０に示されたような電気音響機器の支持部上に置かれる。ＰＤＭＳ製の厚さ３ｍｍの被覆部が液滴の上に設けられて、音響吸収部および液滴を糊付けするスライスを規定する。１つのビードが選択され、視覚的マーカの上かつ近くに置かれ、そしてトランスデューサは給電される。次に、支持部はマニピュレータによって移動され、トランスデューサがスイッチオフされ、選択されたビードは所定の位置に残る。この操作を懸濁物中の他のビードに繰り返して、図２８に示されるように単語「ＬＩＦＥ」を規定する整列したビーズのパターンが得られる。
【０１７３】
言うまでもなく、本発明は例として提供された実施態様に限定されるものではない。
【０１７４】
本発明は、顕微鏡、生物学、マイクロ流体工学の分野の用途について、ラボオンチップ（lab-on-chip）について、ナノおよびマイクロシステムの操作について特に意図されている。生物物理学において、本発明は、単一細胞（例えば癌細胞または幹細胞）の挙動および細胞ネットワーク（例えばアルツハイマー病に含まれる）の挙動を研究するために用いられうる。
【符号の説明】
【０１７５】
２５        電気音響機器
３０        基板
３５        第１電極
４０        第２電極
４３        トランスデューサ
４５        第１トラック
５０        第２トラック
５５        第１（電源）端子
６０        第２（電源）端子
６５        電源
７０        中央ゾーン
【図１】
2019519193.tif 000024
【図２】
2019519193.tif 000025
【図３】
2019519193.tif 000026
【図４】
2019519193.tif 000027
【図５】
2019519193.tif 000028
【図６】
2019519193.tif 000029
【図７】
2019519193.tif 000030
【図８】
2019519193.tif 000031
【図９】
2019519193.tif 000032
【図１０】
2019519193.tif 000033
【図１１】
2019519193.tif 000034
【図１２】
2019519193.tif 000035
【図１３】
2019519193.tif 000036
【図１４】
2019519193.tif 000037
【図１５】
2019519193.tif 000038
【図１６】
2019519193.tif 000039
【図１７】
2019519193.tif 000040
【図１８】
2019519193.tif 000041
【図１９】
2019519193.tif 000042
【図２０】
2019519193.tif 000043
【図２１】
2019519193.tif 000044
【図２２】
2019519193.tif 000045
【図２３】
2019519193.tif 000046
【図２４】
2019519193.tif 000047
【図２５】
2019519193.tif 000048
【図２６】
2019519193.tif 000049
【図２７】
2019519193.tif 000050
【図２８】
2019519193.tif 000051
【図２９】
2019519193.tif 000052
【国際調査報告】
2019519193.tif 000053
2019519193.tif 000054
2019519193.tif 000055